עקרונות הפעולה של מרתכי רשת
א. עקרונות הפעולה של הממירים המחוברים לרשת
ממירים המחוברים לרשת הם מכשירים הממירים זרם ישר (DC) לזרם חילופין (AC) ונמצאים בשימוש נרחב במערכות ייצור חשמל פוטו-וולטאיות (PV). העקרונות של הפעולה מתבססים על מספר אספקטים:
תהליך המרת האנרגיה: תחת אור השמש, פאנלים פוטו-וולטאייים מייצרים חשמל בזרם ישר (DC). עבור ממירים קטנים וממוצעים המחוברים לרשת, מבנה דו-שלבי נפוץ, שבו הזרם הישר הנוצר מהפאנלים מומר תחילה דרך ממיר DC/DC לשינוי מקדים, ולאחר מכן דרך ממיר DC/AC לייצור זרם חילופין (AC). ממירים גדולים משתמשים בדרך כלל במבנה חד-שלבי להמרה ישירה. במהלך ההפעלה, הממיר מפעיל את מודול הממיר שלושה פאזה באמצעות איתור הזרם והמתח של הזרם הישר, וזרם ומתח של הזרם החילופין ברשת. מערכת הבקרה הדיגיטלית מפיקה אותות נסיעה PWM (Pulse Width Modulation), כך שהממיר מפיק זרם חילופין שמתיישר בתדירות ובפאזה עם הרשת. לדוגמה, כאשר הזרם הישר מהפאנלים הפוטו-וולטאייים נכנס לממיר המחובר לרשת, הוא עובר תחילה דרך מתקן (אם המבנה הדו-שלבי כולל פונקציית מתקן), הממיר כל זרם חילופין קיים לזרם ישר, ולאחר מכן דרך רכיבי האלקטרוניקה של סעיף הממיר כדי להמיר זרם ישר לזרם חילופין, שבסופו של דבר מסופק לצריכת ביתית או תעשייתית או מוזרק לרשת.
רכיבים עיקריים ופונקציותיהם:
ממריא: בכמה מבנים הוא אחראי להמרה של זרם חילופין לזרם ישר, כדי להבטיח שהקלט לסוגר הבא יהיה זרם ישר.
סוגר: זהו המרכיב העיקרי, המשתמש באלמנטים אלקטרוניים (כמו אבזרים מוליכים למחצה) להמרת זרם ישר לזרם חילופין.
בקר: בקר זה מפקח על כל תהליך ההמרה, כולל מעקב אחר מתחים וזרמים של הכניסה והיציאה, ומפצל את אותות ה-PWM בהתאם לפרמטרים אלה כדי להבטיח שהמתח החילופין המופק יעמוד בתקנים הנדרשים.
תא יציאה: הוא מפיץ את המתח החילופין המומר לרשת או למשקול.
II. הקשר בין הממירים המחוברים לרשת לרשת
העברת כוח והפרדה:ה תפקיד העיקרי של ממיר מחובר לרשת הוא להמיר מתח ישר למתח חילופין ולהיות מחובר לרשת, מאפשר העברת כוח. הוא יכול לספק את החשמל שנוצר על ידי מערכת ה-PV לתוך הרשת, ולספק את הצרכים של משתמשים אחרים. בתהליך זה, הרשת פועלת כמרכז אחסון ופיזור אנרגיה גדול, והממיר המחובר לרשת משמש כגשר המקשר בין האנרגיה הפוטו-וולטאית המפוזרת למרכז זה. לדוגמה, בפרויקטים פוטו-וולטאיים מפוזרים, מספר רב של משקי בית עם מערכות PV מוכרים אנרגיה עודפת לרשת דרך ממירים מחוברים לרשת, ובכך מושגת זרימת כוח דו-כיוונית – קבלת אנרגיה מהרשת וספקת אנרגיה לרשת.
מהפרספקטיבה של הרשת, ככל שמתווספים יותר מומסים מרושתים לרשת, המקורות של חשמל ברשת הופכים למגוונים יותר. עם זאת, זה גם מטיל דרישות חדשות על יציבות הרשת ואיכות החשמל.
בקרה והתאמה:היום, המומסים המורשטים מתבצעים בעיקר בשני מצבים בקרתיים בסיסיים: בקרה על זרם ובקרה על מתח. במצב הבקרה על זרם, המומס מתכוון לשלוט בזרם הנפלט עליו להתאים לשינויים במתח הרשת ומפרטים אחרים. למשל, ברשתות חלשות (ימennen impedance, מסגרת חלשה, 저항 נמוך לספיגת זרמים), המומס צריך להיות בעלת יכולת התאמה חזקה לרשתות high-impedance כדי להימנע מהתופעות של תהודה שיכולות להוביל לעלייה באוטיות. יצרנים שונים משתמשים באלגוריתמים ובמנגנונים שליטה שונים להתאמה לשינויים ברשת, כמו אלגוריתמי דמפינג אקטיבי חכם כדי להתמודד עם בעיות תהודה ברשתות חלשות, והסטרטגיות כמו בקרה חוזרת, פרמטרים PI דינמיים, מדכא תדרים ספציפיים ופיצוי זמן מת.
במצב הבקרה על מתח, המומס מתכוון לבקרה על המתח, מה שהופך את התכונות החיצוניות של המומס המורשת לתוך מקור מתח מבוקר, שיכול לספק תמיכה במתח ובתדירות. זה מתאים במיוחד לתפוקת אנרגיה מתחדשת גבוהה, כלומר המומס יכול, עד כמה שהוא יכול, לנהל את המתח והתדירות של הרשת כדי לשמור על פעילות יציבה.
III. האם מומרות מחוברות לרשת יכולות לפעול ללא הרשת?
בנסיבות נורמליות, הפעולה אינה מותרת:לפי תקנים ותקנות בטיחות רלוונטיים, מומרות מחוברות לרשת מצוידות בדרך כלל במכשירי מניעת איי-לנדינג. כאשרря напряжение сети равно нулю, инвертор прекращает работу. Это связано с тем, что если инвертор продолжит работать во время отключения электроэнергии, это может представлять опасность для технического персонала. Например, если система фотоэлектрической энергии продолжит подавать энергию в сеть через инвертор во время отключения, это может привести к поражению электрическим током и другим инцидентам безопасности. Поэтому национальные стандарты требуют, чтобы сетевые инверторы фотоэлектрических систем имели функции обнаружения и контроля островковости и должны прекращать работу, когда сеть недоступна.
הפעלה תחת שינויים מיוחדים:תאורטית, ללא שינוי תוכנה או חומרה, ניתן להשתמש במעביר חשמל לא מחובר לרשת כדי "לסמלץ" רשת, כך שהמעביר פוטו-וולטאי יאמין שהרשת תקינה, ובכך יאפשר לספק כוח לרשת הזו. עם זאת, שיטה זו נושאת סיכונים ואינה עונה על דרישות בטיחות ורגולציה תקינות. בנוסף, אם מעביר החשמל המחובר לרשת עבר שינוי כדי לאפשר פעולה לא מחוברת לרשת, כמו בחלק מהמעבירים ההיברידיים המחוברים ולא מחוברים, הוא יכול לעבור למצב לא מחובר לרשת כאשר הרשת מפסיקה לעבוד. עם זאת, זה כבר אינו תפקוד של מעביר חשמל טהור המחובר לרשת אלא תוצאה של עיצוב ושינוי מיוחדים.
IV. התנאים החיוניים להפעלת מעביר חשמל מחובר לרשת
תנאים טכניים:
סינכרוניזציה של תדר: תדר הרשת הוא בדרך כלל 50Hz או 60Hz ברוב האזורים. התדר המנוצח על ידי הממברר חייב להיות מסונכרן עם זה. זה מושג בדרך כלל באמצעות טכנולוגיות כמו מעגלי נעילה פאזה (PLLs) כדי להבטיח שהתדר המנוצח של הממברר תואם לתדר הרשת, אחרת הוא לא יכול לפעול בצורה תקינה.
סינכרוניזציה של פאזה: בנוסף לסינכרוניזציה של תדר, 출력 המנוצח של הממברר חייב להיות מסונכרן גם בפאזה עם מתח הרשת. סינכרוניזציה של פאזה מושגת באמצעות טכנולוגיות שליטה קשורות. רק עם סינכרוניזציה של פאזה ניתן לשלב חלק את הפלט של הממברר לתוך הרשת ללא השפעות שליליות כגון תנודות מתח וירידה באיכות החשמל.
התאמה של מתח: מתח הפלט של הממברר חייב להתאים למתח הרשת בנקודת החיבור. אם כי ממברי מתוכננים בדרך כלל להתאים לרמות מתח שונות, הם חייבים להבטיח פעולה בתוך גבולות בטיחותיים. אם המתח אינו מתאים, זה עשוי למנוע העברת חשמל תקינה ואף לגרום לנזק בממברר אוquipment of the grid.
מגבלות הרמוניות: במהלך המרת מתח DC למתח AC, האינברטר עשוי לייצר הרמוניות שיכולות להשפיע על הרשת, כגון גרימת תorsion במתח והפרעה לתפעול הנורמלי של ציוד חשמלי אחר. לכן, האינברטר חייב לעמוד בסטנדרטים מסוימים של מגבלות הרמוניות כדי להבטיח איכות מתח. לדוגמה, זרם הפלט של האינברטר לא צריך להכיל רכיב DC, והרמוניות מסדר גבוה בזרם הפלט של האינברטר חייבות להיות מופחתות לשיאן כדי למנוע זיהום של הרשת.
בקרה על כוח ריאקטיבי: האינברטר חייב להיות מסוגל לשלוט בכוח הריאקטיבי שאותו הוא מייצר כדי לתמוך ביציבות מתח הרשת. ברשתות עם נתח גבוה של אנרגיה מתחדשת, הבקרה על כוח ריאקטיבי היא חשובה במיוחד. באמצעות שליטה בכוח הריאקטיבי, ניתן לנהל את רמת המתח של הרשת, לשפר את יציבות הרשת ואיכות המתח.
הגנה מפני אפקט האיילנדינג: כאשר הרשת מתנתקת, האינברטר חייב להתנתק מהר מהרשת כדי למנוע ממנו לספק מתח לרשת המתנתקת, ובכך להגן על עובדי תחזוקה. זהו אחת מהפונקציות הבטיחותיות החשובות של אינברטרים מחוברים לרשת.
תנאי בטיחות:
בטיחות חשמלית: המומר והתקנתו חייבים לעמוד בתקני הבטיחות החשמליים הרלוונטיים, כולל מבודדות, הגנה על עומס יתר והגנה מפני קצר מעגל. לדוגמה, ביצועי המבודד החשמלי של המומר חייבים להיות טובים כדי למנוע דליפה; במקרה של עומס יתר או קצר מעגל, המומר צריך להפעיל מנגנונים מגינים כדי למנוע נזק למלאי ולהפחית את הסיכון לאש.
דרגת הגנה: למומר יש צורך בדרגת הגנה מסוימת כדי להתנגד לתנאי סביבה כמו אבק ורטיבות. למומר חיצוני בדרך כלל נדרשת דרגת הגנה גבוהה יותר, כגון IP65. דרגת ההגנה מבטיחה שהמומר יכול לפעול באופן תקין בתנאי סביבה שונים ומאריכה את תקופת השימוש בו.
תקנות ותקנים:
תקנים לאומיים ותעשייתיים: המפעלים המתחברים לרשת חייבים לעמוד בתקנים לאומיים ותעשייתיים, כגון תקן GB/T 37408 - 2019 של סין, המפרט דרישות טכניות למפעלים מתחברים לרשת פוטו-וולטאיית. התקנים הללו מכסים מספר היבטים, כולל ביצועים, בטיחות ואיכות חשמל, ומסייעים להבטיח שהמפעלים עומדים ברגולציות בזמן הפעלתם על הרשת.
רישיונות והסכמות: ההתקנה והפעלה של מפעלים מתחברים לרשת עשויים לדרוש רישיונות והסכמות מהמחלקה לאנרגיה כדי להבטיח שהם לא ישפיעו באופן שלילי על הרשת. המחלקה לאנרגיה תבדוק את מקום ההתקנה, יכולת החשמל ואת הפרמטרים הטכניים של המפעל, ורק לאחר הסכמה ניתן יהיה לחבר את המפעל לרשת.
גורמים כלכליים:
החזר על ההשקעה (ROI): משתמשים או חברות שמתכוננים להתקנת מומרות מחוברות לרשת יעריכו את ההחזר על ההשקעה, כולל עלויות השקעה ראשונית, עלויות תפעול ותחזוקה, והכנסות אפשריות מהמכירה של חשמל או סובסידיות מדיניות. אם ההחזר על ההשקעה אינו נוח, זה עשוי להשפיע על התלהבותם ממומרות מחוברות לרשת. לדוגמה, אם עלות ההשקעה הראשונית גבוהה ומחיר המכירה של החשמל נמוך ללא מדיניות סובסידיות מספקת, משקיעים עשויים להתנער.
מדיניות סובסידיות: אזורים שונים עשויים להיות להם מדיניות סובסידיות שונות, שיכולות להשפיע על הנוחות הכלכלית של פרויקטים של מומרות מחוברות לרשת. חלק מהאזורים מציעים סובסידיות כדי לעודד פיתוח אנרגיה מתחדשת, כולל סובסידיות לרכישת מומרות ותעריפים להזרמה, המסייעים לשיפור התועלת הכלכלית של פרויקטים של מומרות מחוברות לרשת.
patibility of the System:
תאימות לרשת: המפענח חייב להיות תואם לרשת הקיימת, כולל המבנה, הגודל והמאפיינים התפעוליים של הרשת. מבני רשת שונים (לדוגמה, מערכות חשמל TT, IT ו-TN) וגופי רשת שונים (לדוגמה, רשתות נמוכות מתח ורשתות גבוהות מתח) דורשים דרישות שונות מהמפענח, והמפענח חייב להיות מסוגל להתאים לאותן השונות כדי להשיג חיבור יציב לרשת.
תאימות להתקנים: המפענח חייב להיות מתאים להתקנים המחוברים לייצור חשמל (לדוגמה, פנלים סולריים, טורבינות רוח) כדי להשיג המרה יעילה של חשמל. לדוגמה, עוצמת החשמל והמתח הפוטנציאלי של הפנלים הסולריים חייבים להתאים לדרישות הקלט של המפענח כדי להבטיח את יעילות ואיכות של מערכת הייצור כולה.
גורמים סביבתיים:
תאימות לסביבה: הממיר חייב להיות מסוגל להתאים לתנאי הסביבה של אתר ההתקנה, כגון טמפרטורה ורטוב, כדי להבטיח פעולה יציבה לאורך זמן. לדוגמה, בסביבות חמות, על הממיר להיות בעל ביצועים טובים בפיזור חום כדי למנוע נזק מהתחממות מופרזת; בסביבות עם רטוב גבוה, הממיר חייב להיות עמיד לרטוב כדי למנוע קצר מעגל פנימי.
השפעה סביבתית: עיצוב והפעלה של הממיר חייבים לקחת בחשבון את ההשפעה שלו על הסביבה, כגון רעש ופרעות מגנטיות. יש להשתדל להפחית את הרעש שנוצר במהלך הפעלת הממיר כדי למנוע זיהום רעש, ופרעות מגנטיות צריכות להיות תחת שליטה כדי למנוע הפרעה למכשירים אלקטרוניים אחרים.
פעולת ומaintenance:
ממשק משתמש: הממיר צריך לספק ממשק משתמש אינטואיטיבי לצפייה בסטטוס המערכת וביצוע הגדרות נחוצות. לדוגמה, המשתמשים יכולים לראות את פרמטרי הפעולה של הממיר (למשל, מתח כניסה/יציאה, זרם, כוח) ומידע על אזעקות תקלה דרך הממשק, וביצוע הגדרות בסיסיות (למשל, הגבלות כוח, בחירת מצב פעולה).
דרישות תחזוקה: תחזוקת הממיר צריכה להתייחס לקלות התפעול, עלויות תחזוקה ומחזורים של תחזוקה. ממיר שקל להפעיל יכול להפחית עלויות וקושי בתחזוקה, בעוד מחזור תחזוקה סביר יכול להבטיח פעילות יציבה לאורך זמן. לדוגמה, מבנה הפנים של הממיר צריך להיות מתוכנן כדי לסייע בבדיקה על ידי צוותי תחזוקה, והתקופת חיים והעלות החלפה של חלקיו צריכים להיות סבירים.
V. תפקיד הרשת בפעולת הממיר המחובר לרשת
הספקת התייחסות לפעילות:המתח, התדירות והפרמטרים האחרים של הרשת מספקים תקן התייחסות לפעילות הממירים המחוברים לרשת. לממיר יש להתאים את הפלט שלו בהתאם למתח והתדירות של הרשת כדי להתאים לפרמטרים הללו. לדוגמה, הממיר משתמש בטכנולוגיות כמו PLL לסינכרון התדירות והפאזה של הפלט החילופי שלו עם הרשת ולהתאים למתח, תוך שמירה על אינטגרציה חלקה של חשמל לתוך הרשת. ללא הרשת שמספקת את ההתייחסויות הללו, הממיר לא יכול להתאים במדויק את הפלט שלו, ולא יהיה אפשרי חיבור רגיל לרשת.
הפעלת העברת ואספקת חשמל:הרשת מספקת פלטפורמה להעברה ואספקת חשמל מממירים מחוברים לרשת. לאחר שהממיר מזין את החשמל החילופי שנוצר על ידי מערכת ה-PV לתוך הרשת, הרשת יכולה להעביר את החשמל הזה למקום בו הוא נדרש, ומשתלטת על הפצה נרחבת. זה מאפשר לחשמל ממערכת ה-PV להשתלב במערכת החשמל הרחבה יותר, ומספק חשמל למשתמשים נוספים. הגודל והמבנה של הרשת משפיעים גם על שיטות החיבור והדרישות האופראטיביות של הממיר. לדוגמה, ברשתות מתח שונות (למשל, רשתות מתח נמוך ומתח גבוה), הממיר חייב לעמוד בתקנים הטכניים המתאימים כדי להבטיח העברה בטוחה ויעילה של חשמל.
הבטיחת תפעול יציב:ברשת, מתחברים מספר רב של מכשירי ייצור וצריכת חשמל, מה שמייצר מערכת חשמל גדולה. למערכת זו יש רמה מסוימת של יציבות ואינרציה, המסייעת להיצמדות לתפעול של הממירים המחוברים לרשת. לדוגמה, כאשר התפוקה החשמלית של מערכת פוטו-וולטאית משתנה, הרשת יכולה להתאים את השינויים הללו באמצעות מנגנוני העדשה שלה (למשל, מתן פקודות לשינוי התפוקה של מכשירי ייצור אחרים), ובכך להפחית את ההשפעה על הממיר. בנוסף, הרשת מספקת הגנה בפני קצר-مدار ומגנות בטיחות אחרות. אם מתרחשת תקלה קצר-מדר ביציאה של הממיר, מכשירי ההגנה של הרשת יפעלו למנוע מהתקרית להיגרם, מגינים על הממיר ועל ציוד אחר.
